ATCA与MicroTCA实践―通信系统设计方法

ATCA与MicroTCA实践—通信系统设计方法ClaudiaBestler,StephanRupp控创集团ATCA与MicroTCA为通信系统设计提供了全新的选择，如对交换、不同接口、不同协议不同性能的各种组件，系统架构，冗余与高可用性等方面的选择，这种设计过程是从可以通过ATCA部件实现基本结构的目标系统开始的。以基于会话控制的应用与媒体处理的应用为例，相应的设计可以划分为一些不同类型的开放通信平台。本文讨论的是针对通用需求ATCA、MicroTCA系统实践，包含许多系统规划方面的规则，讲述了实践环节指导、技术方案选择与移植方法。图0：ATCA系统与MicroTCA系统示意图从应用剖析到系统设计ATCA与AMC以商用组件的方式为通信系统提供了建构模块。2007年有一个非常好的机会，就是MVA、PICMGRES,CP-TA,SCOPE等组织在互操作性方面的工作正在为商用组件系统铺平道路。ATCA已经成为一种广泛接受的标准了，但如何设计ATCA/AMC、MicroTCA平台的电信解决方案呢？系统设计的第一步是确定应用的领域，一些应用领域如会话处理（呼叫服务器、IMS、SIP－Server）、媒体处理（IPTV、内容匹配与内容过滤）、网关（媒体网关、中继网关、RNC、集群交换、P25交换）有着不同的应用需求，但每个领域内，其需求是相似的，可以映射成一个应用模型——典型应用需求集。每个应用模型对应于一个典型需求集，虽然规模可能不同，但结构体系却是相似的，并可以“翻译”成ATCA/AMC的设计模型。ATCA/AMC的设计模型中有功能性需求与数量描述，还有非功能性需求，如系统冗余的考虑，以提高系统的可用性。应用剖析包含数量与区划上的考虑，它遵循特定应用的传输模型。例如，用户数量、忙时每用户会话数量、所需的特殊接口等。而事务类型是由应用确定的，传输控制仅仅包含会话处理，媒体处理与网关则还包含特殊的用户数据传输。传输模式根据会话与吞吐量来定义流量。这种需求定义包含了系统配置中的处理器的类型与数量，以及对系统冗余的考虑，如控制器与相关接口是否需要1+1备份，或者应用处理器是否需要Ｎ+１备份。本文总结了基于ATCA/MicroTCA设计在会话处理、媒体处理、网关应用等典型领域中，从应用模型到系统结构、系统设计的一条清晰道路，其重点是找到一个基本规则，而不必深入具体的组件特性。并且，控创提供这些领域应用而搭建的入门级的系统，或验证平台，帮助系统设计者更好地应用ATCA与AMC。会话处理下一代网络中的控制设备是会话处理器，它在不同的应用系统中有不同的名字，如呼叫服务器、网关控制器、SIP服务器或者IMS-SCSF。图1显示了典型设备应用场景：图１：会话业务系统会话服务器位于NGN的IP域，控制呼叫或者多媒体用户的会话，还是传统电信网络（PSTN与PLMN）中的会话发起与终结者。它是大容量的低延迟、高可用（99,999%，每年最多５分钟宕机）的事务处理器。还有许多与此系统模型相关的应用，如工业自动化控制领域，但本文侧重于电信网络。典型会话处理协议是SIP协议（会话初始协议），会话处理可分为两种不同的任务：一是对协议的处理，二是对会话状态的处理与用户信息管理，图2显示了其系统结构：图2：系统剖析与系统架构会话协议（SIP）由协议引擎处理，更高层的会话则由应用引擎处理。第三种处理单元是主处理器，或者说是系统控制单元，用于监护系统正常运行与跟踪操作正常执行。需要多少处理器单元呢？这由处理会话所要求的性能决定。会话个数可以从传输模型中得到，例如，100万用户，每用户忙时呼叫数量3.6个，则每秒平均会话数量为1000个，由呼叫建立与折除的消息数量可以计算出消息总量，再根据处理器能力计算出所需要的处理器数量。假设每个事务有4个SIP消息，每秒8K字节，总流量是32M每秒，可以看到会话服务器的通信流量并不高。另外一个设计要点是系统冗余。假定系统结构中，主处理器1+1备份，即处于热备的2个处理器。应用引擎与协议引擎建议采用N+1的冗余方式，即N个处理单元承担全部的负载，1个处理单元作为额外的备份。ATCA系统中，基本接口（BaseInterface）采用双冗余双星总线连接所有的处理结点，相应的系统设计如图3：图3：会话处理-ATCA如图2所示，系统设计可以直接映射到系统结构。双冗余的主控制器布署在AMC卡上，位于交换板的AMC槽。图3中的小系统中，有２个呼叫引擎、２个协议引擎，是一个典型的双冗余结构。对于更大的系统，例如14槽机箱，应用引擎与协议引擎可能会采用N+1备份方式，这样的经济性更好。应用引擎可以采用加载AMC硬盘的处理器板，满足现场可替换的需要。图4：会话处理-MicroTCA根据图2的系统结构，图4显示了对应的MicroTCA系统实现。假设ATCA板上的CPU功能强大，例如采用了双核处理器的处理器板，对应到MicroTCA的系统中，可通过增加处理器卡的数量达到与ATCA相当的性能。协议处理引擎可以从闪存中导入运行，应用引擎则从冗余硬盘上引导（与ATCA相同），硬盘的布署需要背板支持。这个系统有两层19英寸子架，所有板卡通过MCH相连。媒体处理IP媒体处理包括3G移动网络、CableTV、DSL网络的媒体流，同样，媒体服务器作为IP流媒体的源服务器或者代理服务器，完成内容转换与过滤的功能，并提供理更好的IP流媒体业务。图5描述了这个领域的应用：图５：媒体处理应用媒体服务器可提供高吞吐量的媒体处理能力，与会话服务器相比，它处理的传输流量要大得多。典型的流媒体模型中，3G网络或WiMax网络中每会话流量达128Kbps，CaTV与DSL网络则可达2Mbps。一个20万用户的系统中，假设忙时每用户产生一次会话，持续3分钟，系统并发会话数可达5000个，3G网络或WiMax网络的总传输流量可达640Mbps，而CaTV与DSL网络可达10Gbps。再者，处理单元的个数取决于其处理能力，其性能指标可以从实验室取得或公开发布的资料中得到。媒体服务器的基本系统结构见图6：图６：系统剖析与系统架构应用引擎承担内容供给与过滤功能，但根据不同的应用，它可能有一些特殊需求，例如需要从磁盘系统中取得连续高速数据流。图中应用引擎可能采用N+1备份方式，拥有2个主控制器，2个交换互连口，还用到了DSP来处理媒体流，如完成转码或者优化媒体品质；DSP卡与控制处理器共同构成了媒体引擎。图7：媒体服务器－ATCA系统配置系统结构很容易被映射成面向ATCA的设计。如图7所示，主控制器由处理器AMC承担，在交换板上，有2个10G以太网接口，用于处理流量荷载及与其它系统互连。应用引擎由具有AMC存储的ATAC处理器板构成；媒体引擎由带有1个处理器AMC与3个DSPAMC的AMC载板构成；6个应用引擎构成N+1备份，以及2个媒体引擎。在14槽的机箱中，还有4个槽位以供未来扩展。图8：媒体服务器MicroTCA系统配置同样，用MicroTCA也可以搭建同样的系统，见图8。为了支持冗余，需要双层19英寸机框；对于应用引擎，磁盘访问是需要背板支持的；对于媒体引擎，基本的双星形千兆以太网提供DSP与CPU之间的iTDM通信；其它系统中，PCIe也同样需要背板支持。网关网关的典型例子是TDM与IP互连系统。应用场景是传统2G与3G基站与3G网络控制器（RNC）、集群系统与P25交换机互连，或IP网络与传统电话网络（PSTN）、移动网络（PLMN）互连。图9显示了网关在这些互连系统网络中的位置：图9：访问网关的应用实例根据定义，一个位于TDM与IP网络之间的网关需要转换TDM控制消息与数据流为IP控制消息与数据流。网关本质上是在应用层面上提供TDM与IP之间的转换（例如，不同域的端点协议的实现与互译）。同时，网关还需要支持TDM域的专用接口，例如E1（2Mbps）、STM-1/OC3(155Mbps)或STM-4/OC12(622Mbps)，图10表现接口在基本系统结构中的映射关系：图10：网关系统剖析－系统构架网关的基本功能单元是协议处理单元，它基于处理底层协议的线卡，处理高层协议；应用引擎是各自域内会话的终端，并且完成会话的翻译；媒体引擎通过DSP支持TDM与IP流之间的转码。同样，系统中还有主控制器管理业务。各种组件的数量根据相应的传输模型的不同角色以及其本身的性能确定，图11显示了如何将系统结构映射成实际的ATCA系统：图11：网关服务器－ATCA系统配置应用引擎由含有AMC硬盘的ATCA板卡担当，主控制器（在图中没有表示）可以布署在交换板上。这种设计方式最好地利用了AMC卡，是一种紧凑但拥有高密度计算能力的设计，因为媒体引擎与协议引擎都通过AMC形式的DSP与TDM接口卡实现了。图12：网关服务器－MicroTCA系统配置如图12所示，通过使用AMC卡，同样可以在MicroTCA上实现相同的系统，为了达到同样的处理能力，可能需要3层19英寸的MicroTCA子系统。每个子系统扮演一种引擎角色（协议引擎、媒体引擎或应用引擎）。在MicroTCA系统中，为了满足吞吐能力与网络分段的要求，需要对背板交换方式特别给予关注。图12所示是一个每层独立的双冗余结构，并通过MCH互连与管理的系统。验证系统—入门级的ATCA与MicroTCA解决方案目前提供的设计样例显示了可以采用统一的准则设计不同领域中多个应用系统。为了帮助我们的客户移植即有解决方案到ATCA，或者基于ATCA设计新的应用系统，控创可以提供针对典型应用领域提供入门级系统，这些系统已经经过精心配置与严格测试。系统的基本配置是基于紧凑的6槽ATCA机箱或14槽ATCA机箱。图13：面向会话业务的验证系统图13是面向会话处理业务的验证系统，如呼叫服务器，可支持低延迟、大容量的会话处理。此系统采用6槽ATCA机箱，支持冗余，在交换板上布署处理器AMC作为主控制器，2个ATCA处理器板承担会话处理与协议，并安装Linux（内核2.16）与一个Linuxcluster以支持冗余处理器之间的倒换功能。可以看到，系统具有很好的扩展性。图14：面向媒体处理的验证系统图14是面向媒体处理的验证系统，是对面向会话的系统的一种扩展。基本系统结构完全相同（双冗余的主控制器，双冗余的应用引擎），但增加了媒体引擎，它是ATCA处理器板上的DSPAMC或者处理器AMC实现的，同样它也是双冗余的。图15：网关服务器验证系统图15是面向网关应用的验证系统，包含图10中的主控制器、应用引擎、媒体引擎与协议引擎等元素。主控制器由交换板上的处理器AMC实现，应用引擎由ATCA计算板实现，媒体与协议引擎布署在ATCA的AMC载板上，包含TDM接口、DSP、处理器等类型的AMC卡。控创同样可以提供基于MicroTCA的验证系统，涵盖上述各种典型应用系统。但是，基于ATCA的系统可以成为实际系统布署方案，而MicroTCA系统则更接近于实验室的方案验证系统，因为在许多应用案例中还需要专门设计背板，同时它是基于电信环境的。为了客户能更好地使用MicroTCA，控创可提供通用性尽可能高的验证系统，它的基本应用方向主要是满足电信需求的多处理器系统与工业PC类型的紧凑系统。图16是两种MicroTCA的验证系统的样图。图16：MicroTCA验证系统多处理器系统通过可扩展的以太网交换来互连多个处理器AMC，这是在CPCI系统设计中难以做到的。典型的应用中需要满足低延迟、高处理性能，并且为了满足高可用性的要求，系统应支持冗余。控创的多处理器系统正是满足这种需要的不错选择，即19英寸MicroTCA机箱、双冗余MCH、GbE/SAS/SATA/PCIe通过双星形背板连接的系统。而紧凑型系统则面向工业PC方面的应用，是一个5槽的小机箱，可插入标准MCH与AMC卡，它的背板提供所有槽位的GbE、PCIe互连，以及SAS/SATA的点对点连接。综合解决方案控创作为ATCA的领先厂商与PICMG、CP-TA与SCOPE组织的活跃成员，可提供ATCA、AMC与MicroTCA的综合性解决方案，产